我國(guó)覆蓋區(qū)礦產(chǎn)資源地球化學(xué)勘查方法研究進(jìn)展

唐世新, 馬生明, 胡樹起

(1.自然資源部地球化學(xué)探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廊坊 065000；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

0 引言

當(dāng)前，世界處于百年未有之大變局，國(guó)際貿(mào)易爭(zhēng)端跌宕起伏，逐漸由經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擴(kuò)展到高科技領(lǐng)域，并蔓延至礦產(chǎn)資源領(lǐng)域[1]。礦產(chǎn)資源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，加速了對(duì)礦產(chǎn)資源的勘查、開發(fā)和利用程度。我國(guó)已經(jīng)成為全球礦產(chǎn)資源生產(chǎn)大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，供需矛盾尤為突出。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，大部分近地表礦產(chǎn)資源已被發(fā)現(xiàn)并開發(fā)，無論是礦業(yè)界、高校，還是科研機(jī)構(gòu)，已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，未來要發(fā)現(xiàn)更多的礦床，保障人類對(duì)資源的需求，必須突破覆蓋區(qū)，走向深部。

實(shí)踐證明，勘查地球化學(xué)方法在基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源普查、詳查以及深部礦產(chǎn)勘查等各個(gè)階段均發(fā)揮著不可或缺的作用，是解決礦產(chǎn)資源勘查實(shí)際問題的有效手段和依據(jù)，這是由地球化學(xué)勘查微觀、定量、直接和多信息的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)決定的[2]。然而，隨著地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查程度的逐步深入，找礦目標(biāo)體從淺表轉(zhuǎn)向覆蓋區(qū)，研發(fā)能夠穿透蓋層提取深部成礦信息的地球化學(xué)勘查方法迫在眉睫。為了滿足覆蓋區(qū)找礦需求，勘查地球化學(xué)界一直以來不斷開展非常規(guī)的地球化學(xué)方法研究示范與應(yīng)用，從采樣介質(zhì)、樣品處理與測(cè)試、數(shù)據(jù)分析、異常解譯等方面進(jìn)行大量創(chuàng)新，如地電化學(xué)法、地氣法、酶提取法、金屬元素活動(dòng)態(tài)提取法、土壤細(xì)粒級(jí)測(cè)量以及熱磁組分測(cè)量等勘查方法[2]。特別是近十五年，這些非常規(guī)地球化學(xué)勘查方法，在基礎(chǔ)理論研究、方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、示范應(yīng)用推廣等方面，都得到了進(jìn)一步發(fā)展。本文在介紹納米地球化學(xué)研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，圍繞土壤活動(dòng)態(tài)及細(xì)粒級(jí)土壤全量測(cè)量、地電化學(xué)、熱磁組分測(cè)量以及淺鉆地球化學(xué)勘查方法技術(shù)，總結(jié)了近十五年來我國(guó)覆蓋區(qū)礦產(chǎn)資源地球化學(xué)勘查方法研究進(jìn)展，提出了未來發(fā)展方向。

1 納米地球化學(xué)

近年來，納米地球化學(xué)受到越來越多地球化學(xué)家的關(guān)注，已然發(fā)展成一個(gè)具有潛在生命力的研究領(lǐng)域[3]。我國(guó)高校和科研院所針對(duì)覆蓋區(qū)地表介質(zhì)中納米顆粒的采集觀測(cè)和遷移機(jī)理開展了大量研究，取得了重要進(jìn)展。

1.1 納米顆粒采集與觀測(cè)

開展納米地球化學(xué)研究，首先需要通過特定裝置和方法采集納米顆粒，為此各科研團(tuán)隊(duì)對(duì)納米顆粒采集裝置進(jìn)行了研發(fā)，并針對(duì)氣體、固體不同介質(zhì)制定了差異化的采集方法[3]。地氣中納米金屬微粒的采集方式分為主動(dòng)抽氣取樣法和被動(dòng)累積取樣法，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所(簡(jiǎn)稱“物化探所”)王學(xué)求研究團(tuán)隊(duì)和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)葉榮研究團(tuán)隊(duì)[3-8]主要使用主動(dòng)抽氣法采集地氣中納米金屬顆粒，中山大學(xué)曹建勁[9-11]研究團(tuán)隊(duì)則使用被動(dòng)累積法進(jìn)行取樣。采集固體樣品中的納米金屬微粒，則需借助電磁振蕩微米篩，使400目以下樣品中納米金屬微粒向空氣中分散，再利用捕集裝置將納米金屬微粒卸載到捕集鍺網(wǎng)上。

2011年王學(xué)求研究團(tuán)隊(duì)[12]首次在河南南陽盆地400 m深隱伏礦上方土壤觀測(cè)到成礦元素銅的納米微粒以及銅-鐵、銅-銀、銅-鉻、銅-鎳、銅-鈦等復(fù)合金屬納米微粒，并證實(shí)這些納米金屬顆粒是內(nèi)生條件下的產(chǎn)物，該發(fā)現(xiàn)不僅實(shí)證了深穿透地球化學(xué)具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且為采集土壤以捕獲其中微粒物質(zhì)指導(dǎo)覆蓋區(qū)找礦提供了可能。葉榮等[13]通過觀測(cè)對(duì)比淺覆蓋蝕變巖型金礦和厚覆蓋巖漿熱液型銅鎳礦兩種不同覆蓋深度、不同成因類型的礦床上方土壤顆粒中納米金屬顆粒發(fā)現(xiàn)，兩種納米顆粒在粒徑大小、形態(tài)、微粒連接和簇聚關(guān)系、元素組合性質(zhì)以及內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)等方面十分相似，都高度繼承源區(qū)特征，進(jìn)一步證實(shí)了金屬納米顆粒是元素的穩(wěn)定存在形式。

1.2 遷移機(jī)理

納米金屬微粒是如何從深部礦體到達(dá)地表的，是勘查地球化學(xué)家需要回答的重大科學(xué)問題，自從在地表介質(zhì)中觀測(cè)到含成礦元素的納米金屬微粒以來，微粒遷移機(jī)理研究就從未停止。相較于上升氣流，含成礦元素的微粒物質(zhì)密度較大，上升氣流攜帶微粒很難克服重力遷移到地表。曹建勁研究團(tuán)隊(duì)[10]選擇十幾個(gè)隱伏金屬礦床，研究了上升氣流微粒特征、形成及遷移機(jī)理，認(rèn)為成礦期后與隱伏礦體有關(guān)微粒主要形成于斷層作用、氧化作用和生物作用，由于地殼內(nèi)部和地表存在溫差，從而可以吸附到微氣泡或本身以類氣相形式呈“布朗運(yùn)動(dòng)”快速上升，這為含成礦元素納米金屬微粒遷移到達(dá)地表提供了合理解釋[11, 14-15]。

王學(xué)求等[16]在礦區(qū)土壤和礦石中發(fā)現(xiàn)大量的納米金屬微粒，這些微粒擁有良好的六邊形晶型，還與礦種有密切關(guān)系，例如含金的微粒主要與金礦床，含銅、鎳的微粒則主要與銅鎳礦有關(guān)。研究認(rèn)為，這些微粒是在成礦過程中或者礦物風(fēng)化過程中產(chǎn)生的，與CO2、SO2等氣體結(jié)合后，穿透覆蓋層遷移至地表，一部分繼續(xù)保留在氣體中，還有一部分則被土壤中的粘土、膠體等吸附捕獲，此外，納米微粒具有易分散性質(zhì)，自身也可以發(fā)生垂向遷移至地表，被植物吸收(圖1)[5]。

圖1 地氣流攜帶納米金屬顆粒遷移模型[4]Fig.1 Transport model of metal nanoparticles carried by ground airflow

2 土壤活動(dòng)態(tài)及細(xì)粒級(jí)土壤全量測(cè)量技術(shù)

由于地表蓋層的影響，常規(guī)土壤全量測(cè)量獲得的地球化學(xué)異常非常微弱，很難滿足覆蓋區(qū)找礦勘查的需求。研究發(fā)現(xiàn)，吸附態(tài)和離子可交換態(tài)等活動(dòng)態(tài)形式是成礦指示元素在土壤中賦存的主要形式之一，王學(xué)求[3]研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為通過提取、測(cè)試土壤中的活動(dòng)態(tài)金屬能夠達(dá)到探測(cè)蓋層以下隱伏礦的目的。白金峰等[17]對(duì)智利 Spence 隱伏斑巖銅礦床的活動(dòng)態(tài)提取試驗(yàn)結(jié)果表明，已知礦上方水提取相和吸附相有明顯的礦致異常顯示，同時(shí)研究認(rèn)為在分相合理性、相態(tài)提取流程和分析方法等方面仍有許多工作要做。

由于蘊(yùn)含豐富成礦信息的活動(dòng)態(tài)金屬更多地存在于土壤細(xì)粒級(jí)(粒徑<75 μm)，因此土壤細(xì)粒級(jí)全量測(cè)量同樣可以用于隱伏礦勘查，相較于活動(dòng)態(tài)提取具有經(jīng)濟(jì)、快速、便于操作的優(yōu)勢(shì)。王學(xué)求等[4]在干旱荒漠區(qū)金窩子金礦開展土壤細(xì)粒級(jí)測(cè)量試驗(yàn)，通過分析基巖接觸層2.0 m～3.0 m、1.0 m～2.0 m、0.3 m～1.0 m以及0.1 m～0.3 m等5個(gè)層位成礦元素Au的三維空間分布，發(fā)現(xiàn)Au元素在深部礦體賦存部位均有明顯的異常顯示，呈現(xiàn)出頂?shù)装瀹惓?qiáng)度更大、中間層位異常強(qiáng)度相對(duì)較弱的特點(diǎn)，盡管這種特征是受地球化學(xué)景觀條件影響，但毫無疑問，細(xì)粒級(jí)土壤測(cè)量可以作為干旱荒漠景觀區(qū)探測(cè)隱伏礦體的有效技術(shù)手段。劉漢糧等[18]在甘肅柳園花牛山礦區(qū)開展了采樣密度和采樣時(shí)間的對(duì)比分析試驗(yàn)，結(jié)果認(rèn)為土壤細(xì)粒級(jí)測(cè)量具有較好的異常重現(xiàn)性，奠定了該方法的實(shí)用基礎(chǔ)。

3 地電化學(xué)技術(shù)

地電化學(xué)技術(shù)是指利用外加電場(chǎng)提取與成礦有關(guān)的活動(dòng)態(tài)金屬離子，通過分析研究元素組合、分布和異常特征達(dá)到找礦目的一種非常規(guī)地球化學(xué)勘查方法[19-21]。自上世紀(jì)80年代開始，我國(guó)勘查地球化學(xué)家針對(duì)該方法開展了大量試驗(yàn)研究。近十五年來，隨著偶極地電提取方法、低電壓偶極地電提取裝置及具有時(shí)間控制功能的固體載體型元素提取器等專利技術(shù)的授權(quán)，以及《地電化學(xué)測(cè)量技術(shù)規(guī)程(征求意見稿)》的編寫完成，地電化學(xué)技術(shù)進(jìn)入到技術(shù)方法規(guī)范化階段[22-23]。

以桂林理工大學(xué)和物化探所為代表的高校和科研院所，先后在我國(guó)高寒山區(qū)、高山峽谷區(qū)、中低山區(qū)、巖溶區(qū)、干旱與半干旱風(fēng)成砂區(qū)開展大量試驗(yàn)研究，證實(shí)地電化學(xué)技術(shù)在典型礦區(qū)能夠取得了良好找礦效果。羅先熔[20]研究團(tuán)隊(duì)在金川銅鎳礦區(qū)應(yīng)用地電化學(xué)技術(shù)取得找礦突破，獲取礦石資源儲(chǔ)量上千萬噸，經(jīng)濟(jì)效益顯著。在內(nèi)蒙洛恪頓礦區(qū)，孫彬彬等[19]通過1:50 000地電化學(xué)測(cè)量圈出了地球化學(xué)異常，配合激電中梯掃面，經(jīng)鉆探工程驗(yàn)證深部存在厚大隱伏銀、銅富礦體，實(shí)現(xiàn)找礦新發(fā)現(xiàn)。

目前，各研究團(tuán)隊(duì)對(duì)地電化學(xué)異常的形成機(jī)理尚有不同認(rèn)識(shí)。孫彬彬等[19]認(rèn)為地電化學(xué)技術(shù)獲得的地球化學(xué)異常主要是由于土壤中存在具有電活動(dòng)性的納微米級(jí)細(xì)粒粘土礦物顆粒所引起；羅先熔研究團(tuán)隊(duì)[20]認(rèn)為礦體、圍巖及地表存在離子動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)施加人工電場(chǎng)作用，打破局部平衡，離子會(huì)逐級(jí)向上補(bǔ)充，直至深部礦體；熊長(zhǎng)林等[24]認(rèn)為異常來源于電極周圍土壤及礦物中元素異常，并與元素的化學(xué)形態(tài)有關(guān)。異常來源認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，在一定程度上將影響地電化學(xué)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

4 熱磁組分測(cè)量技術(shù)

在土壤物質(zhì)組成成分中，普遍存在著一種與各種類型的成礦元素關(guān)系密切的非晶質(zhì)鐵錳(氫)氧化物物質(zhì)，(前)蘇聯(lián)A.H.波戈留波夫等[25]在上世紀(jì)70年代嘗試將這種非晶質(zhì)鐵錳(氫)氧化物作為采樣對(duì)象，稱之為熱磁組分測(cè)量技術(shù)，并將其應(yīng)用于常規(guī)地球化學(xué)勘查方法效果不佳的覆蓋區(qū)隱伏礦勘查。

胡樹起等[25-28]引進(jìn)熱磁組分測(cè)量技術(shù)，提出了熱磁組分的提取方法及熱、電控制參數(shù)，研發(fā)了第一代熱磁組分提取裝備，并在河北蔡家營(yíng)鉛鋅礦殘坡積物和風(fēng)成砂土覆蓋地區(qū)布設(shè)2條剖面開展方法有效性試驗(yàn)，初步結(jié)果顯示，熱磁組分測(cè)量具有發(fā)現(xiàn)覆蓋層下礦化信息的較強(qiáng)能力。尤其是在風(fēng)成砂土覆蓋的剖面上(圖2)，常規(guī)土壤測(cè)量 Pb、Zn、Ag、As、Sb、Cd 等基本沒有異常顯示或異常很弱，土壤熱磁組分測(cè)量在覆蓋層下深部礦體產(chǎn)出部位成礦指示元素異常顯著，異常地段與礦體空間位置具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且礦體埋藏較淺的部位異常強(qiáng)度高，礦體埋藏深的部位異常弱但仍然明顯，反映出土壤熱磁組分測(cè)量具有發(fā)現(xiàn)風(fēng)成砂土覆蓋層下礦化信息的較強(qiáng)能力。

圖2 蔡家營(yíng)風(fēng)成砂覆蓋區(qū)熱磁組分測(cè)量有效性試驗(yàn)剖面[27]Fig.2 Experimental section of thermal magnetic component measurement in Caijiaying aeolian sand-covered area[27](a)Pb;(b)As;(c)Zn;(d)Sb;(e)Ag;(f)Cd

2011年～2018年，在地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目與科研項(xiàng)目的持續(xù)資助下，物化探所研發(fā)了第二代熱磁組分自動(dòng)化提取裝備，滿足了樣品批量處理的要求，并先后在草原干旱-半干旱景觀區(qū)、干旱荒漠景觀區(qū)、高寒山區(qū)、森林沼澤區(qū)、沖積平原區(qū)等不同景觀區(qū)，進(jìn)一步開展了大量的熱磁組分測(cè)量技術(shù)試驗(yàn)研究工作，涉及熱液型銅多金屬和鉛鋅銀多金屬礦、蝕變巖型金礦和銅鎳硫化物礦等礦床類型[29-34]。試驗(yàn)結(jié)果表明，熱磁組分測(cè)量技術(shù)具有強(qiáng)化弱異常的優(yōu)勢(shì)，能夠發(fā)現(xiàn)運(yùn)積物蓋層中蘊(yùn)藏的深部微弱礦化信息。至關(guān)重要的是，熱磁組分測(cè)量技術(shù)獲得的礦致異常重現(xiàn)性很好，這為方法技術(shù)的示范應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在前期大量方法試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，馬生明等[35]嘗試將熱磁組分測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)蒙古黑鷹山地區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查，這也是該方法首次大范圍應(yīng)用在生產(chǎn)調(diào)查工作中。在常規(guī)土壤測(cè)量無異常顯示地段，利用熱磁組分測(cè)量技術(shù)發(fā)現(xiàn)典型砂巖型鈾礦元素組合地球化學(xué)異常，后經(jīng)槽探工程揭露，發(fā)現(xiàn)蓋層下方存在砂巖型鈾礦化體，實(shí)證了熱磁組分測(cè)量技術(shù)的有效性與實(shí)用性。

5 淺鉆地球化學(xué)測(cè)量

淺鉆地球化學(xué)測(cè)量是指在淺覆蓋區(qū)應(yīng)用機(jī)動(dòng)淺鉆以基巖之上風(fēng)化殘留疏松物(或基巖)為采樣介質(zhì)的地球化學(xué)勘查工作。該方法穿過外來物蓋層，直接針對(duì)殘積層進(jìn)行定量分析研究，不僅能反映真實(shí)的下伏基巖地球化學(xué)信息，還能快速系統(tǒng)采樣開展元素表生活動(dòng)性研究，而且能盡量減少對(duì)植被的破壞，降低對(duì)環(huán)境的影響，是貫徹綠色勘查理念的直接體現(xiàn)，是貫徹落實(shí)習(xí)近平生態(tài)文明思想的重要舉措[36]。2008年起，隨著“應(yīng)用機(jī)動(dòng)淺鉆的地球化學(xué)勘查方法技術(shù)研究”、“長(zhǎng)江中下游淺覆蓋1∶250 000基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查修測(cè)”等地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目的啟動(dòng)實(shí)施，先后在內(nèi)蒙古東部、安徽廬樅盆地、新疆哈密東天山等不同景觀條件的淺覆蓋區(qū)(50 m以淺)，開展不同勘查階段的淺鉆地球化學(xué)測(cè)量方法試驗(yàn)研究，證實(shí)該方法在追蹤定位礦化體、淺覆蓋區(qū)資源潛力地球化學(xué)定量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)及地質(zhì)地球化學(xué)立體填圖等方面具有應(yīng)用前景[37-40]。特別是內(nèi)蒙古花敖包特銀鉛鋅礦床外圍銀多金屬礦體的發(fā)現(xiàn)，印證了淺鉆地球化學(xué)測(cè)量在覆蓋區(qū)地球化學(xué)勘查中的可行性和實(shí)效性。

2013年，物化探所針對(duì)不同景觀、不同覆蓋類型制定了機(jī)動(dòng)淺鉆選型和配套鉆進(jìn)取樣工藝，確定了采樣目的層的判(識(shí))別方法、采樣介質(zhì)和采樣方法，提出了淺鉆地球化學(xué)技術(shù)操作規(guī)程(初稿)[39]。隨后，北京探礦工程研究所和物化探所聯(lián)合起草《淺層取樣鉆探技術(shù)規(guī)程》，目前該技術(shù)規(guī)程已作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)被自然資源部正式發(fā)布，為綠色勘查提供了技術(shù)支撐。盡管如此，由于淺鉆鉆探技術(shù)的全面性和成熟性仍有欠缺，輕便性和經(jīng)濟(jì)性也有待進(jìn)一步提高，在一定程度上也限制了淺鉆地球化學(xué)測(cè)量方法的廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)論

覆蓋區(qū)找礦一直是勘查界公認(rèn)的難點(diǎn)，也是勘查地球化學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來研究的熱點(diǎn)。特別是近十五年來，地表介質(zhì)中金屬納米顆粒的發(fā)現(xiàn)為覆蓋區(qū)化探找礦提供了直接的微觀證據(jù)，細(xì)粒級(jí)土壤全量測(cè)量、地電化學(xué)、熱磁組分測(cè)量等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為覆蓋區(qū)找礦提供了有效手段。淺鉆地球化學(xué)測(cè)量能真實(shí)反映蓋層下伏基巖地球化學(xué)信息，但受限于淺鉆鉆探工程的輕便性與經(jīng)濟(jì)性，在實(shí)際找礦勘查中尚未得到廣泛應(yīng)用。在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，成礦物質(zhì)從深部到淺部的遷移機(jī)理以及在地表介質(zhì)中的賦存形態(tài)將仍是需要地球化學(xué)家進(jìn)一步研究的課題，淺鉆施工采用的鉆探機(jī)具及配套工藝也還有待改進(jìn)完善。